隨著對(duì)下一代計(jì)算平臺(tái)的不懈追求，近眼顯示技術(shù)正在迅速發(fā)展。尤其對(duì)于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）應(yīng)用，近幾十年來已經(jīng)發(fā)明并探索了多種透視近眼顯示架構(gòu)，例如：Birdbath顯示、曲面鏡型顯示器、視網(wǎng)膜投影顯示器和Pin mirror顯示器等。在眾多架構(gòu)中，波導(dǎo)圖像組合器（或出瞳擴(kuò)展波導(dǎo)）由于其緊湊的形狀尺寸，仍然是目前增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡的主要候選方案。為了實(shí)現(xiàn)具有逼真視覺體驗(yàn)的3D全息顯示，業(yè)界付出了巨大的努力。

作為一種近眼顯示應(yīng)用，波導(dǎo)圖像組合器指的是一種薄而透明的平板，其以全內(nèi)反射（TIR）模式引導(dǎo)光，并復(fù)制出射光瞳以傳送到用戶的眼睛。這些波導(dǎo)可以使用不同類型的光耦合元件來設(shè)計(jì)。幾何波導(dǎo)使用板內(nèi)部的部分反射表面來重新引導(dǎo)并提取波導(dǎo)中的光。衍射波導(dǎo)可以利用表面浮雕光柵、體布拉格光柵、偏振光柵以及超構(gòu)表面或幾何相位元件作為輸入/輸出耦合器。TIR傳播可使光路不受阻礙的固定在波導(dǎo)中，同時(shí)不需要將體積龐大的投影器或成像光學(xué)器件放置在用戶眼前。波導(dǎo)顯示的圖像投影器通常位于鏡腿側(cè)，具有無限校正透鏡，可以提供高分辨率圖像。波導(dǎo)最獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)是其通過光瞳復(fù)制的光學(xué)擴(kuò)展量（étendue）擴(kuò)展能力。這提供了具有相當(dāng)大視場的動(dòng)眼框（eyebox），這些優(yōu)勢使波導(dǎo)顯示器成為近年增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示的領(lǐng)先技術(shù)。

盡管波導(dǎo)顯示器具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但仍存在一些局限性有待解決。首先，波導(dǎo)只能傳輸固定的深度，通常是無限共軛圖像。如果將有限共軛圖像投影到波導(dǎo)中，光瞳復(fù)制過程會(huì)產(chǎn)生不同光路和像差的副本，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的重影噪聲，這通常被稱為焦點(diǎn)擴(kuò)散效應(yīng)。業(yè)界研究了雙成像或多成像平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，但這會(huì)導(dǎo)致更大的形狀尺寸和降低的性能，以及增加的硬件限制。此外，由于波導(dǎo)圖像組合器的效率低，采用microLED等傳統(tǒng)光源實(shí)現(xiàn)足夠的亮度存在挑戰(zhàn)。盡管激光光源可以大大降低耦合效率的損失，但它們與波導(dǎo)的結(jié)合使用仍然受限，因?yàn)樵赥IR傳播期間相干光相互作用會(huì)導(dǎo)致偽影和顯著的圖像質(zhì)量下降。

同時(shí)，全息顯示技術(shù)被認(rèn)為是終極的3D顯示方案，其利用空間光調(diào)制器（SLM）來調(diào)制光的波前，還提供了其它獨(dú)特優(yōu)勢，例如無像差、高分辨率圖像、每像素深度控制、眼視差深度提示、視力校正功能以及大色域。近年，計(jì)算機(jī)生成全息圖（CGH）渲染領(lǐng)域取得了許多進(jìn)展，越來越受到業(yè)界的關(guān)注。全息顯示器的幾個(gè)傳統(tǒng)問題，例如散斑、圖像質(zhì)量以及高計(jì)算負(fù)載，已被證明可借助增強(qiáng)的CGH渲染模型以及新型圖形處理單元（GPU）強(qiáng)大的計(jì)算能力得到解決。然而，由于光學(xué)擴(kuò)展量有限，為近眼全息顯示器設(shè)計(jì)緊湊的架構(gòu)仍然是有待解決的問題。視網(wǎng)膜投影類型的設(shè)計(jì)已經(jīng)用位于鏡腿側(cè)的全息投影器進(jìn)行了探索。然而，即便使用機(jī)械瞳孔控制，此類配置的空間和角帶寬也有限，無法將足夠的光學(xué)擴(kuò)展量從鏡腿側(cè)傳輸?shù)侥跨R。因此，實(shí)現(xiàn)符合人體工程學(xué)設(shè)計(jì)的眼鏡形狀和尺寸成為巨大挑戰(zhàn)。

此前已有嘗試?yán)貌▽?dǎo)作為照明源，通過具有嵌入全息圖案的出耦合器光柵形成投影圖案或圖像。由于只能顯示靜態(tài)圖像，并且在耦合輸出之前波導(dǎo)內(nèi)部不攜帶任何信息，所以這種方案不適合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示應(yīng)用，但是，這代表了將波導(dǎo)和全息圖像結(jié)合在一起的非常早期的嘗試。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，美國Meta公司Reality Labs Research實(shí)驗(yàn)室的研究人員近期在Nature Communications期刊上發(fā)表了一篇題為“Waveguide holography for 3D augmented reality glasses”的文章。在這項(xiàng)研究中，研究人員提出了一種名為波導(dǎo)全息（Waveguide holography）的緊湊型近眼顯示系統(tǒng)，結(jié)合了波導(dǎo)圖像組合器和全息顯示器的優(yōu)點(diǎn)。該方案與過去的研究有著本質(zhì)的差異，它解決了出瞳擴(kuò)展波導(dǎo)的焦點(diǎn)擴(kuò)散效應(yīng)。其核心思想是將出瞳擴(kuò)展波導(dǎo)內(nèi)的相干光相互作用建模為具有多通道內(nèi)核的傳播。通過基于相移數(shù)字全息術(shù)的復(fù)雜波前捕獲系統(tǒng)和算法實(shí)現(xiàn)了精確的模型校準(zhǔn)。結(jié)果，研究人員證明了可以通過利用該模型調(diào)制輸入波前，以精確控制波導(dǎo)的出耦合波前。

波導(dǎo)全息架構(gòu)示意圖

研究人員通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了顯示完整3D圖像和光學(xué)擴(kuò)展量擴(kuò)展的能力，從而實(shí)現(xiàn)了軟件控制的大型Eyebox。此外，研究人員還證明了該方案可以提供超出傳統(tǒng)波導(dǎo)顯示器極限的增強(qiáng)分辨率。

全息波導(dǎo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3D顯示效果

研究人員相信，這項(xiàng)研究成果將助推更多的后續(xù)研究，朝著真正的超緊湊3D全息AR眼鏡邁出更堅(jiān)實(shí)的步伐。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-44032-1